近日，我院师生在能源领域的顶级期刊《Renewable and SustainableEnergy Reviews》(中科院一区Top，JCR一区，IF=16.9)上发表了题为“Acomprehensive review for the heat traceability in lithium-ion batteries: Fromgeneration and transfer to thermal management”的论文，李一凡副教授为第一作者，23级材料与化工硕士研究生蒋晨为第二作者，李一凡副教授和于伟教授为共同通讯作者。上海第二工业大学能源与材料学院为第一单位。
1.简介
锂离子电池（LIBs）的热量积累是影响其性能的关键因素。过多的热量产生会导致热失控，从而增加火灾或爆炸的风险。了解热量产生和传递的机制对于实施有效的热管理策略至关重要。本工作系统地探讨了电池内部错综复杂的热过程，包括热量的产生、传递和管理。文章对LIBs发热机制进行了综合分析，并总结了相关的产热计算模型；详细介绍了LIBs内部的各种传热机制，并总结了不同应用场景中电池内部温度分布的计算模型；评估了电池热管理的策略和进步，分别介绍了了主动、被动和混合式热管理方法，包括材料的创新与技术的集成。最后讨论了与热量产生、传热和热管理相关的当前挑战和前景。
图1.本综述中讨论内容的示意图
2.LIBs中的热量产生
LIBs有两个主要的热源：电化学过程产生的可逆热和副反应和焦耳效应引起的不可逆热。锂离子在正负中嵌入和去嵌入的过程伴随着能量的释放或吸收，为可逆热。除了锂离子在正极和负极之间迁移外，电池运行期间还会发生非理想化的化学反应，例如电解质溶液中的氧化还原过程和固体电解质界面的分解。副反应的能量损失以热量的形式释放，称为不可逆热。图2为LIBs的工作原理示意图，图3-5为计算电池产热的模型图。等效电路的原理是能量守恒，它有效地描述了充电和放电过程中电压、电流和温度的变化。然而，等效电路模型假设整个电池是均匀的，忽略了局部热变化；基于机器学习的神经网络模型避免了考虑复杂的电化学特性的必要性，但对异常值敏感；电化学-热耦合模型模拟了固相和液相之间的内部电化学反应过程，可准确预测整个反应阶段的热量产生，但需要对从大量实验数据集中获得的大量参数进行细致的参数校准，这增加了计算复杂性。
2.1.LIBs的工作原理
LIBs主要由正负极、隔膜、电解液、正负电流集流体、电池外壳和集流体片组成，放电时，内部的锂离子从负极脱出，穿过电解液迁移至正极，同时释放电子通过外电路形成电流，实现化学能向电能的转化；充电时，外部电压迫使锂离子逆向迁移，从正极脱出并重新嵌入负极，储存能量，完成电能到化学能的转换。
图2.LIB的工作原理图示
2.2.基于等效电路的发热模型
二阶RC模型通常是描述电池外部特性的首选。图3说明了二阶RC模型，由一个理想电压源、一个欧姆内阻和两个RC电路网络（R1,C1和R2, C2）组成。电化学极化由R1,C1并联模拟，浓度极化过程由R2, C2平行模拟。
图3.二阶RC等效电路模型的图示
2. 3.其他模型
其他发热量模型主要依赖于基于机器学习的模型。这些方法避免了考虑复杂的电化学特性的必要性，仅依靠在线或离线实验数据来构建相关模型。但这些方法需要大量的实验数据来提取先验知识或训练模型。
图4.用于欧姆内阻和极化内阻计算的反向传播神经网络模型图示
2.4.电化学-热耦合模型
电化学-热耦合模型源自伪二维（P2D）模型,由于其出色的模拟精度而在电池老化研究中被广泛采用。计算通常包括五个组成部分：固相和液相的质量平衡、固相和液相中的电位分布以及在两相界面处发生的电化学反应。该模型可以准确预测整个反应阶段的热量产生，但需要对从大量实验数据集中获得的大量参数进行细致的参数校准。
图5.P2D模型的示意图
3.LIBs中的传热
LIBs的传热模型可分为两种主要类型：基于集总参数的模型和基于温度分布的模型。前者将电池视为一个整体，提供相对简单的计算，计算出的温度是电池的代表性平均温度。基于温度分布的传热模型可以进一步分为一维、二维和三维模型，它们只考虑传导，而不考虑对流和辐射。一维模型适合柱状、片状或对称电池，二维模型适用于形状复杂或不均匀结构的电池，三维模型适用于几乎所有类型的电池，如圆柱形电池、软包电池或其他形状不规则的电池。
图6.(a)用于描述圆柱形电池中温度分布的2D和3D模型的比较;(b)不同α值下的温度计算情况比较
4.LIBs热管理
LIBs的最佳工作温度范围通常在20°C至30°C之间，可最大限度地提高性能和循环稳定性。在寒冷气候下，最佳温度范围通常在15°C至25°C之间，在高温环境中，最佳工作温度在25°C至35°C之间，略高于通常范围，但仍低于40°C，这需要有效的自适应热管理策略来防止温度过高。
4.1.风冷
空气冷却系统具有结构简单和成本低等优点，使其易于集成到电池组中。但由于空气固有的低导热性，空气冷却系统通过强制空气对流增强散热，其系统的研究主要集中在优化空气流速和路径，以及改进电池几何布置和结构设计。
图7.风冷结构示意图
4.2.液体冷却
与空气冷却相比，液体冷却介质具有更高的导热性，可提供精确的温度控制。液体冷却系统可以根据导电液体介质是否直接接触电池表面进行分类，分为直接接触和间接接触模式。该领域的研究主要集中在选择合适的液体传热介质上。
图8.液冷结构示意图
4.3.相变材料
使用相变材料进行电池热管理依赖于它们在相变过程中吸收或释放热量的能力。有机相变材料通常被选为蓄热和放热介质，因为它们具有高潜热容量、无毒、无腐蚀性、化学稳定性和低过冷度。用于电池热管理的相变材料的研究主要集中在智能温度调节、热导率改进和结构设计优化上。
图9.复合相变材料冷却示意图
4.4.热管
热管的工作原理依靠两相热交换，通过液体蒸发和冷凝的潜热有效地传递热量。因其几何灵活性、高导热性、等温运行特性、一致的温度特性、环境稳健性和维护效率而成为电池热管理的有前途的选择。对热管的研究可能集中在开发一种简化的热管模型上，该模型可以与电池热模型集成以进行性能分析。
图10.热管冷却示意图
4.5.带空气冷却的相变材料耦合
相变材料与空气耦合的混合冷却机制具有相对简单的结构，主要适用于发热速率适中的小型LIBs。研究的重点是主动和被动冷却的协同集成，并描述它们在整个热管理系统中的作用。该方法建立了一个概念设计范式，以提高耦合冷却系统的传热效率。
图11.复合相变材料耦合空气冷却示意图
4.6.带液体冷却的相变材料耦合
相变材料与液体冷却的集成为电池热管理提供了一种有前途的范式和可靠的解决方案。这种方法特别适用于需要精确温度控制的应用，例如电动汽车和电网规模的储能系统。未来的研究应集中在最小化系统体积和减少辅助设备上，这对于该策略的商业可行性和实际实施至关重要。
图12.复合相变材料耦合液体冷却示意图
4.7.带热管的相变材料耦合
在各种基于相变材料的热管理技术中，混合相变材料-热管系统引起了相当大的研究兴趣。与空气和液体冷却系统不同，它们不需要耗电的辅助设备，如泵或风扇。与其他耦合系统相比，它更紧凑、更具成本效益，同时仍能提供有效的冷却。
图13.复合相变材料耦合热管冷却示意图
5.挑战与前景
当前的挑战主要集中在开发一种能够在各种温度范围内有效管理电池热量的系统，同时具备轻量化、成本效益高和节能的特点。随着电池技术不断进步，特别是电动汽车和可再生能源存储需求的持续增长，热管理无疑将在推动这些技术的广泛应用中发挥关键作用。通过全面研究LIBs的热量产生、传导与管理机制，并评估各类热管理技术的优势、局限及最新进展，政策制定者可据此优化相关法规。例如，在配备先进热管理系统的前提下，可能放宽对高能量密度电池的保守性限制。电池热管理技术的发展，正推动政策从“被动应对”模式向“主动引导”模式转变，在技术创新、监管更新与政策调整之间形成良性互动。未来政策或将更加注重跨场景适应性，如极端气候条件下的热管理能力、全生命周期碳足迹的追踪等。本综述有望为相关政策制定提供理论支撑。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115706